人类一生中有三分之一的时间在睡觉。苍蝇、蠕虫甚至水母等无脊椎动物也会睡觉。

在整个进化过程中，睡眠对所有具有神经系统的有机体来说都是普遍的，也是必不可少的。

然而，你有没有想过，为什么我们要睡觉？事实上，科学家多年来一直在寻找答案。

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研究背景

一个多世纪以来，生物学家一直在研究睡眠。几十年来，有趣的发现越来越多：我们现在已经知道，睡眠不足有可能导致致命影响。

睡眠压力，或者说我们对睡眠的需求，随着我们清醒时间的延长而增加。

在人类和其他哺乳动物中，睡眠在大脑活动的读数中是非常容易识别的。

早期脑电图读数的弯曲线开始形成称为睡眠纺锤的扭结，在睡眠实验室内发光的屏幕上展开。

▲睡眠纺锤波是一种特殊波形，通常出现在非快速眼动睡眠早期阶段

但尽管有这些细致的观察，我们每晚离开意识背后的分子机制仍然是现代生物学中最深的谜团之一。

宾夕法尼亚大学的时间生物学家阿米塔·塞加尔（Amita Sehgal）是利用果蝇进行睡眠研究的先驱。她表示，在机械层面上，我们不知道是什么让我们产生困意，需要睡眠。

生物学家已经研究了成千上万的实验室生物，如苍蝇，挑选出那些睡眠异常的生物，并研究了它们的基因，以及有睡眠障碍的基因。

这一做法的目的很明显：如果我们能够确定哪些基因被破坏了，例如是什么让人们在办公桌前睡着，或者是什么让苍蝇太虚弱而无法交配，我们或许更能理解困倦的成因，以及在分子水平上，睡眠是由什么组成的。

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研究介绍

日本和德克萨斯州的一个研究小组公布了一项大型实验的第一个结果，该实验在老鼠身上采用了这种方法，其规模前所未有：在几年的时间里，该小组突变了数千只老鼠的基因，将它们连接到脑电波监测器上，观察它们睡觉。

通过对监测到的EEG（脑电图）的幅值和频率进行分类，大概有这么几种波型，在睡眠的不同阶段反复出现：

在一个睡眠周期里面，这几种波形是交替发生的。如下图：

这项研究发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员揭示了两个似乎与睡眠生物机制有关的基因。

第一种是在需要比正常睡眠多得多的老鼠身上发现的。另一种来自于在做梦或快速眼动睡眠中需要较少时间的老鼠。

这些结果为睡眠研究人员提供了新的线索，它们有助于剖析睡眠的分子基础的研究浪潮。

在德克萨斯大学西南医学中心工作的生物学家柳泽正史（Masashi Yanagisawa）表示，这项实验的想法产生于2007年左右。

大约十年前，他偶然进入了睡眠领域，当时他和他的同事在寻找有趣的神经递质时，发现了一种与嗜睡症有关的蛋白质。有这种情况的患者可以在几秒钟内从聊天时大笑兴奋的状态到快速眼动睡眠。

斯坦福大学对缺乏这种蛋白质的老鼠、有嗜睡症的小狗、还有人类进行研究，很快就确定了这种蛋白质的作用。它被称为食欲素（orexin），帮助人们保持清醒。

但这远非全部，正如研究人员揭示警觉和镇静背后的神经元回路所知道的那样。柳泽对打开睡眠的黑匣子越来越感兴趣。

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研究老鼠

生物学家最近开始筛选成千上万的突变苍蝇，以寻找睡眠基因。苍蝇在醒着的时候，它们会不停地运动，研究人员将它们的「睡眠」定义为不活动的时期。

但研究人类睡眠的黄金标准是脑电图，它让观察者通过测量大脑活动来跟踪睡眠阶段。

柳泽表示，用老鼠来尝试会很有趣，尽管老鼠比苍蝇贵得多，因为它们需要更长的时间繁殖，占用更多的空间和资源，但可以通过植入物来观察脑电图。

老鼠在进化上也更接近人类。他与德克萨斯大学西南医学中心的同事约瑟夫·高桥（Joseph Takahashi）进行了讨论，他对老鼠群体有深入的研究。

他们决定，每周用一种药物变异30或40只老鼠，在它们的头部植入大脑活动监测器，看看它们睡了多长时间，以及在每个睡眠阶段花了多长时间。

这项研究带来了与人类睡眠研究相似的数据。有异常的老鼠可以从它们睡眠中的大脑活动中挑选出来，并筛选它们的基因组，以找到负责的基因。

试验阶段仅从几百只动物开始。柳泽说，每只老鼠都可能是一个宝藏。你只需要找出是哪一只。

早期，他们发现一只睡眠异常的老鼠很激动。2009年，柳泽获得了日本政府的巨额资助，用于研究睡眠。这是笔巨款，以至于他能够在日本筑波大学设立场所，继续大规模的研究。他们那时每周研究100只老鼠。

《自然》杂志报道了第一批8000只老鼠的结果。塞加尔和许多其他睡眠研究人员说，多年来，他们一直在会议上听到团队进展的最新消息。

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两种蛋白质

该小组记录的第一个基因制造了一种名为SIK3的蛋白质。SIK3基因突变的老鼠几乎没有时间醒着，它们每天的睡眠时间比其他老鼠多30%以上。

SIK3是一种酶，它会耗尽细胞的能量（一种称为ATP的储能分子），来激活其他蛋白质。

当研究人员调查突变的性质时，他们发现它已经移除了SIK3。他们认为突变会使SIK3处于开启模式。

另一个基因来自一只老鼠，它在快速眼动睡眠中的时间少于平时的时间，通常持续一段可预测的时间状态。

在这种情况下，突变发生在一种叫做NALCN的蛋白质中，它在神经元细胞壁中充当通道。当细胞被激活，蛋白质会让离子爆炸。

这种特殊小鼠的突变可能导致神经元活动，使动物过早脱离快速眼动睡眠。然而，识别与睡眠相关的基因并没有像人们希望的那样迅速得到答案。

塞加尔表示，一种以严重睡眠异常开始的突变苍蝇菌株将随着时间的推移而进化到睡眠越来越正常。这可能会让研究人员感到沮丧，尽管它提供了睡眠强有力的证据。

在过去十年左右的研究中，大多数与睡眠相关的基因可能有很多用途。圣地亚哥大学的睡眠研究人员表示，没有所谓的「睡眠基因」。这些基因具有非常基本的功能，也会影响睡眠。

这篇新论文提供了一个很好的例子。碰巧的是，SIK3并不只是出现在大脑中。多年来，研究人员发现它被用于全身。

哈佛医学院的医生和睡眠研究员汤姆·斯卡梅尔（Tom Scammell）表示，它与新陈代谢问题有关，新陈代谢问题会使生物体困倦。他说，对老鼠的医学检查可能有助于确定它的困倦是因为SIK3直接影响睡眠，还是因为肝脏或肾脏受损。

然而，随着动物模型的研究不断涌现出这些与睡眠相关的基因，与人类睡眠相关的基因收集已经提高了一个等级。

一些研究人员使用了大量的数据集，例如成千上万的人，根据他们花了多少时间睡觉，或者他们是早起还是晚起进行分类，来观察这些是否与特定的基因变异有关。仅在2016年，就至少发表了三项这样的研究。

哈佛医学院、马萨诸塞州总医院和布罗德研究所的遗传学家里查·萨克塞纳（Richa Saxena）是其中一项研究的作者，他说，到目前为止，只有一项以上的研究发现了基因与睡眠之间的联系。

几乎没有基因与睡眠有如此强烈的联系，以至于它们的影响可以超越噪音。但她希望，这些统计关联，加上筛选研究的结果，可以带来清醒和睡眠机制的知识。例如，NALCN通道复合物包括一种蛋白质。

哈佛医学院的果蝇睡眠研究人员德拉加娜·罗古利亚（Dragana Rogulja）说，找到这些联系将会有很大的不同。她最近很高兴地得知，她发现的一种与睡眠相关的蛋白质与另一个实验室发现的另一种与睡眠相关的蛋白质在相同的细胞中出现。

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研究结果

尽管这种联系的意义尚不清楚，但这是向前迈出的一步。她对此非常高兴，因为大多数这些东西还没有真正联系起来。

她表示，但这在一个相对较新的领域是正常的。睡眠研究是一个古老的领域，但很有描述性。她认为，现在是睡眠研究的一个非常激动人心的时刻，因为我们能够从描述性的、诗意的风格转向机械的风格。

随着研究人员更深入地研究基因筛查，这种转变将继续下去。柳泽和同事正在研究这两种蛋白质，SIK3和NALCN，它们在哪里活跃以及它们与什么相互作用的问题。

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